WO2013072033A1 - Vorrichtung und verfahren zum schneiden oder trennen von feststoffen durch materialabtrag mittels energetischer strahlung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum schneiden oder trennen von feststoffen durch materialabtrag mittels energetischer strahlung Download PDF

Info

Publication number
WO2013072033A1
WO2013072033A1 PCT/EP2012/004695 EP2012004695W WO2013072033A1 WO 2013072033 A1 WO2013072033 A1 WO 2013072033A1 EP 2012004695 W EP2012004695 W EP 2012004695W WO 2013072033 A1 WO2013072033 A1 WO 2013072033A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
processing
machining
solid
head
tube
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2012/004695
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhard Noll
Achim Lenenbach
Cristian Tulea
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of WO2013072033A1 publication Critical patent/WO2013072033A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/0096—Portable laser equipment, e.g. hand-held laser apparatus
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B18/18—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves
    • A61B18/20—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F9/00—Methods or devices for treatment of the eyes; Devices for putting in contact-lenses; Devices to correct squinting; Apparatus to guide the blind; Protective devices for the eyes, carried on the body or in the hand
    • A61F9/007—Methods or devices for eye surgery
    • A61F9/008—Methods or devices for eye surgery using laser
    • A61F2009/00844—Feedback systems

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for cutting or separating solids using a handleable
  • Processing head with which a processing beam, in particular a laser beam, is directed to a processing location on the solid.
  • a processing beam in particular a laser beam
  • the associated method can be, for example, cuts in plate-shaped solids such as sheets or ceramic plates
  • Laser beam are deflected so that it acts in the desired processing or seam area, without having to track the machining head.
  • a method and an apparatus for laser beam welding of a workpiece are known in which markings along a joint gap in front of and behind the weld are detected and evaluated in order to deviations of the joining gap from the desired position, the actual To determine position and to correct the position of the machining laser focus.
  • a positioning unit corrects the position of the laser processing head to the new one Setpoint. Alternatively, the focus position on
  • EP 1 848 389 B1 describes a method for
  • the residual thickness of the cornea is determined by means of OCT in order not to fall below a residual thickness of the cornea by the laser ablation.
  • DE 10 2006 030 130 B3 describes a method for machining a workpiece by means of an energy beam, wherein a machining head with a
  • DE 10 2008 056 695 A1 deals with a laser processing head for machining a workpiece by means of a laser beam, in which a camera is used to observe the working area of the workpiece to be machined on the machining head.
  • DE 100 05 592 C1 discloses a handheld and machine-guided laser tool for machining workpieces, in which a gas or liquid jet which drops vertically through a nozzle onto the processing point conveys the material of the workpiece melted by the laser beam out of the kerf.
  • the object of the present invention is to provide an apparatus for cutting or separating solids by means of energetic radiation with a hand-held machining head, with which smaller kerf widths can be achieved.
  • the task is with the device and the
  • the proposed device comprises a hand-operable machining head, in which a machining beam is guided via a dynamic beam deflecting unit through a beam outlet opening, through which the machining beam with the machining head can be directed to a processing location on a solid.
  • a machining beam is guided via a dynamic beam deflecting unit through a beam outlet opening, through which the machining beam with the machining head can be directed to a processing location on a solid.
  • the hand-held processing head has a tube, at the end of the beam exit opening is formed. This tube is dimensioned so that it shields the machining beam as far as possible on the way to the processing location, extends in the case of a focused laser beam as a processing beam therefore close to the focus of the laser beam.
  • a shaft is connected to the tube, which protrudes beyond the tube.
  • the shaft is preferably fixed laterally and against a rotational movement about its longitudinal axis and designed such that it can be introduced into the solid already produced by the machining kerf.
  • Processing be laterally guided over this shaft by the shaft is guided during further processing in the kerf. Due to the dynamic beam position correction, erroneous movements of the operator caused by the manual operation, such as, for example, jittering movements,
  • Processing beam for example.
  • a ps laser achieved a high process efficiency, which would not be possible without such a beam position correction.
  • the operator guides the manageable machining head by hand and is supported by the image evaluation and control unit as an assistance system.
  • the image evaluation and control unit By automatically compensating for dithering in the handrail a narrow, precise kerf can be achieved in the solid in both plane and curved plate geometry, the macroscopic course of which is determined by the hand guide.
  • the dithering movements of the hand during processing would otherwise lead to uncontrolled positional fluctuations of the location of action of the processing beam on the solid.
  • the image evaluation and control device can be designed such that it detects a progression of a cut mark set in advance by the operator on the solid and the beam position correction in each case independently of the movement of the handheld processing head so that the processing beam of
  • the device preferably recognizes the direction of the particular cutting contour currently to be executed and thus from the images a possibly compensated
  • the direction of each currently To be performed cutting contour can be detected, for example, by the current rotational position of the machining head about the axis of the machining beam or a parallel axis with respect to the solid.
  • the machining head has a preferred direction, preferably marked by a marking for the operator, into which the machining head is aligned. In this direction, the
  • the image capture unit recognizes a changed rotational position relative to the old one
  • the shaft can also be provided with one or more sensors which detect a force acting on the shaft by a feed movement performed by the operator and thus the desired direction.
  • sensors are strain gauges in the shaft.
  • the image evaluation and control unit is designed such that, when a maximum possible correction value of the beam position correction is reached, it emits a signal recognizable to the operator and interrupts the processing.
  • the dynamic beam deflection unit is due to the construction of the Editing head limited to a certain deflection so that they can not perform beyond this deflection range beam position correction.
  • a laser beam is preferably used in the proposed device and the proposed method.
  • the processing head comprises a known manner
  • Focusing optics for focusing the laser beam on the processing site may also be required for the beam guidance in the machining head.
  • a device for adjusting the focus position and the focus distance is also provided, which is driven to produce the optimal material removal. If the residual layer thickness of the solid is reduced by the material removal, then the focus surfaces can be tracked.
  • the proposed device and the proposed method are not limited to the use of laser radiation. In this case, it is also possible to use other processing beams, for example electron beams or ion beams, whose beam position can be corrected in the same way.
  • the processing beams for example electron beams or ion beams
  • the Machining measures a residual layer thickness of the solid at the processing location.
  • the measuring device is preferably designed in such a way that, when a predefinable desired residual layer thickness is reached or when the generally solid plate-like solid is completely severed, it is flush or curved
  • the residual thickness measurement can be used to control the means for adjusting the focus position and especially for controlling the material removal in order to produce a defined residual thickness.
  • OCT Optical Coherence Tomography
  • An optical sensor based on a transmission measurement can also be used with suitable materials.
  • a residual thickness measurement can also be made e.g. by
  • Combination of tactile total thickness measurement of the solid with a second example optical measurement method to determine the depth of cut can be performed.
  • a measurement of the total thickness of the solid can be realized, for example, via the shaft in combination with the plate-shaped element described below be pulled in an advantageous embodiment of the device in the axial direction by a spring mechanism upwards, so that the element during the separation process always rests against the underside of the solid material.
  • the elongation of the spring depends on the thickness of the solid and can be measured for example with a strain gauge.
  • Depth of cut can be measured, for example, with an optical measuring method, OCT or with chromatic sensors.
  • the residual thickness is then obtained by subtraction. This technique is particularly suitable for materials such as aluminum, which even in a small thickness do not have sufficient transparency for an optical transmission measurement.
  • the proposed device and the proposed method allow the implementation of hand-held cutting or separating operations with narrow kerf widths and defined depth of cut in solids with the processing beam, in particular with pulsed laser radiation.
  • the removal of the material with the processing beam is preferably carried out in a flowing fluid, in particular a gas stream or a flowing one
  • Liquid with which the removed material and thermal energy are carried out of the interaction area.
  • the removal in the flowing fluid makes it possible, for example, to achieve high laser pulse repetition frequencies without crosstalk effects of successive pulses as well as high average laser powers.
  • a particular advantage is that thermal influences on the material to be removed be largely reduced or completely excluded by the flowing fluid.
  • Laser processing can be applied by applying a fluid flow laser radiation of high average power by applying the processing site without damaging the material to the processing site thermally. The processing takes place in the
  • At least one nozzle is arranged on the manageable processing head, which can be connected to a corresponding feed for the fluid.
  • a combination of a vertical rinse with a horizontal rinse is also advantageous.
  • One or more horizontal effusion nozzles flush at high speed into the kerf to remove the removed particles from the kerf.
  • the vertical flushing keeps the window for the discharge of the machining beam and thus the processing beam path free of debris.
  • Processing head is attached to the end of the shaft, below the kerf, a plate-shaped element which lies on the axis of the processing beam and thus the processing beam at full
  • Machining by suitable means, such as a drill, an opening introduced into the solid, through which the shaft with the thereto Insert fastened element and bring the element below the processing site.
  • the shaft is pulled in the axial direction with a spring mechanism upwards, so that the plate-shaped element always rests during the separation process on the underside of the solid.
  • the stem is e.g. manually - against the spring force - pressed down and with a small feed movement, the plate-shaped element on the
  • the image acquisition unit is preferably implemented in the proposed device by a camera and a lighting device, which are arranged in or on the hand-held processing head, that the images of the processing location
  • the images are therefore preferably placed through the tube. records.
  • the processing beam and the illumination beam are guided by deflecting elements and beam splitters in the processing head.
  • Secondary radiation and reflected processing radiation are preferably used filters in front of the camera, which allow the wavelengths of the illumination beam to pass as far as possible, but block the wavelengths of the processing and secondary radiation as far as possible.
  • Illumination radiation is chosen to be suitable.
  • a laser in particular a short pulse laser used.
  • This laser can be placed outside of the hand-held machining head and via a flexible or articulated
  • Beam guide to be connected to the machining head.
  • This may be, for example, a fiber optic or Gelenkspiegelarm.
  • the laser can also be housed in or on the hand-held processing head.
  • the image evaluation and control device can be arranged both in or on the hand-held processing head and outside of this processing head.
  • a processing beam is directed with a hand-held processing head to a processing location on a solid, wherein by an arranged in or on the processing head image acquisition unit during a processing continuously images of a comprehensive processing area of the solid are recorded.
  • the images are used to determine a malfunction during the manual guidance of the processing head and one in the processing head
  • arranged dynamic beam deflection unit is driven to a beam position correction, with which the
  • the proposed device can be used very advantageously also in the medical field, for example for neurosurgical operations on the head or on the spine. Accesses - craniotomies - can be made to the operating field and hard tissue parts can be removed with the device. In these applications, the device makes it possible to dispense with previously used hand-guided microsurgical instruments such as drills and burs, which mechanically remove bone material. The high contact pressure to be generated by the surgeon when removing the bone with the milling cutter with the milling head on the bone to be removed is eliminated when using the
  • FIG. 1 shows an example of an embodiment of the proposed device in a schematic representation
  • Fig. 2 shows an example of the implementation of a
  • FIGS 1 and 2 show by way of example the inventive method and the associated apparatus for performing the method.
  • a pulsed laser beam source 1 generates a laser beam 2, which is fed via a beam guide 3 to a manipulable machining head 19 - also referred to below as a handpiece.
  • the beam guide 3 is for example a Gelenkspiegelarm or a fiber optic.
  • the laser beam 4 passes through two deflecting elements 8, 5 to a positioning unit
  • Focus position influenced laser beam 11 is about a
  • the laser beam generates a
  • Kerf 16 which is shown in Figure 1 in longitudinal section parallel to the x direction.
  • the solid to be separated has a thickness d 21.
  • the depth of cut is thus always smaller or equal to the thickness of the plate-shaped
  • This residual thickness is coaxial with a
  • the measuring beam 7 is e.g. an OCT sensor 6 via the acting as a beam combiner element 5 with the
  • this measuring beam is finally directed together with the laser beam 11 via the deflector 12, the focusing optics 23 and the window 24 through the tube 19 'to the processing site 14.
  • the backscattered light of the measuring radiation is anti- back to the OCT sensor 6 parallel to the incident beam over the same path as through the
  • Double arrows on this beam path (13, 11, 9 and 7) is indicated.
  • the OCT sensor 6 determines the residual thickness d r 22.
  • the residual thickness during the measurement is the same.
  • the residual thickness during the measurement is the same.
  • the obtained signal of the residual thickness is used for the control of the laser beam source 1 and the positioning unit 10 in order to achieve a defined size of the residual thickness.
  • Bottom of the solid 15 extends (see Figure 1).
  • a plate 20 ' At the end of the shaft is a plate 20 '.
  • Shaft 20 and plate 20 ' are mounted on the tube 19' so that the plate 20 'is below the imaginary extension of the processing beam 13.
  • the plate 20 ' has a circular shape and is perpendicular to the shaft 20. The shaft cross-section is so
  • the operator manually moves the handpiece 19 with the tube 19 'and the associated shaft 20 in the x direction.
  • Handpiece and tube are approximately perpendicular to the surface of the solid 15.
  • the shaft allows lateral guidance of the handpiece (Limitation of the range of motion in the y-direction at the location of the shaft 20).
  • the shaft 20 gives the operator a haptic feedback.
  • the operator can detach a piece of the solid, which was previously removed with the pulsed laser steel down to the remaining thickness, by mechanical action with the shaft.
  • the required force depends on the material properties of the solid and the size of the residual thickness.
  • the mechanically detached or broken piece is carried over the flowing fluid from the interaction zone.
  • the fluid is via a nozzle 19, as well
  • an arrangement of a plurality of further nozzles 19 "(nozzle ring) has flowed into the interaction region on or in the tube 19 'From the nozzle ring, the fluid flows in the direction of the lower end of the tube 19' and keeps abraded particles from the nozzle
  • the effusion nozzle 19 is with its outlet end as close as possible to the alternating
  • Range of action arranged. From this nozzle, the fluid is directed to the processing site 14 at a high local flow rate. This further increases the local exchange rate in the interaction region and thus increases the removal efficiency.
  • the removal and measurement process is preferably carried out in the fluid, so that, for example, the interior of the tube 19 'to the optical window 24 and parts of the kerf 16 in particular in the region of
  • ⁇ are completely filled with the fluid.
  • aqueous solutions such as e.g. distilled water, saline solutions, etc. into consideration.
  • the arrangement of the window 24 in the lower region of the tube 19 'minimizes the volume of fluid between the window 24 and the solid 15 and thus achieves a faster fluid exchange (volume unit per unit of time). The latter, in turn, is important for high removal efficiency and to avoid thermal damage to the solid.
  • the wavelength of the ablation laser 1 is chosen to be in the fluid, e.g. in an aqueous solution, having only a low absorption.
  • a wavelength in the green spectral range e.g. the
  • the emission spectrum of the beam source of the OCT sensor 6 is chosen so that on the one hand, the fluid is penetrated with low absorption and
  • the residual thickness of the solid can be measured. That means that the measuring radiation
  • the residual thickness of a cranial bone is 1 ⁇ to 1 mm.
  • a centroid of the emission spectrum of the beam source of the OCT sensor is selected in the range of 700 to 1100 nm.
  • a superluminescent diode with a maximum emission at 905 nm is chosen.
  • optical components 5, 10, 12, 23, 24 are such that they sufficiently reflect or transmit both the wavelength of the ablation laser 1 and the wavelength of the OCT sensor 6.
  • the positioning unit 10 preferably includes two 2D scanner mirrors.
  • one or both 2D scanner mirrors can be replaced by two 1D scanner mirrors.
  • One of the two 2D scanner mirrors is used for continuous guidance of the laser beam for material removal over the surface to be machined in two dimensions.
  • the second 2D scanner mirror in the positioning unit 10 is used for dynamic beam position correction and serves to compensate for the dithering of the operator during manual guidance of the handpiece 19.
  • both tasks - continuous beam guidance and dynamic beam position correction - can be taken over by a single 2D scanner mirror.
  • the positioning unit 10 includes in addition to the
  • Scanner mirrors still an adjustment for the axial position (z direction in Figure 1) of the laser focus in The processing room.
  • This adjustment unit is designed, for example, with a telescope optics, which, for example, can be adjusted by motor.
  • the telescope optics which, for example, can be adjusted by motor.
  • the interaction region 14 is illuminated with a beam source (not shown in FIG. 1) whose light is scattered on the surface of the solid and the kerf and used for imaging. It can both
  • the wavelength of the illumination beam source and its irradiance are selected so that despite the broadband caused by the laser ablation
  • Plasma radiation at the interaction site an evaluable image of the Abtragsszenerie and its surroundings can be recorded.
  • Laser beam source used for lighting e.g. with the wavelength 808 nm.
  • a filter element 17 ' In front of the camera 17 is a filter element 17 ', which transmits the illumination wavelength and the interference radiation of the
  • a source of illumination radiation is preferably a laser diode in
  • FIG. 2 illustrates the method for producing hand-guided laser cuts in plate-shaped or curved solids.
  • an access opening 25 is created by conventional methods, for example by a drill. The diameter of this
  • Through hole is chosen so that the plate 20 'on the shaft 20 of the handpiece 19 can be performed.
  • the operator has previously marked the desired cutting contour 26 on the solid 15 or defined in his imagination. Now the operator guides the handpiece 19 in the direction 27 along the marking or according to his idea of the cutting contour 26.
  • An arithmetic unit and a program continuously evaluate the data of the camera 17 and the - e.g. OCT sensor 6 - off.
  • the camera data is used for tracking features of the solid surface, the mark, if any, and the generated cut geometry. It also intrinsic texture features of the solid surface are recognized, which are no longer visible to the naked eye, and this
  • the recognized features serve as landmarks to, for example, a dithering movement of the handpiece 19 and thus a deviation of the processing focus of a
  • the tracking will be control signals for the dynamic 2D scanner derived in the positioning unit 10, so that despite a dithering in the manual
  • Removal rate volume of the removed solid per unit time
  • Abtragsgeometrie is achieved.
  • An optimal removal rate is achieved when the laser beam is moved with a defined scanning movement (in the x and y directions, see FIG. 1) in the region of the kerf to be produced.
  • the arithmetic unit generates a signaling - e.g. by illuminated signs or beeps on the handpiece or the associated
  • the signaling is designed so that the operator learns in which direction he has to move the handpiece to get back into the capture area. If the handpiece is back in the capture area, the removal process continues.
  • the OCT measurements or other optical measuring methods record the residual thickness. If a previously defined threshold value for the remaining thickness is reached or undershot, the ablation process is terminated at this point. A signaling shows that
  • the handpiece is designed so that the operator has a Class 1 laser system.
  • Passing the laser radiation to the back of the solid is on the one hand prevented by the removal takes place only to a finite residual thickness and on the other hand is blocked by the plate 20 '.
  • For the ablation laser is preferably a
  • the pulse duration is ⁇ 500 ps.
  • nanosecond or femtosecond pulses are used.
  • Fig. 3 shows an example of an embodiment of the proposed device with a Gelenkaptarm as a beam guide 3 between a
  • Embodiment lends itself to an application in craniotomy, as indicated in the figure.
  • the stationary part 28 of the device are the laser and thessenausagonist- and control device, via the corresponding, also in or guided on the Gelenkaptarm cable with the corresponding components of the hand-held processing head 19 are connected.
  • Processing head and suitable processing radiation in particular pulsed laser radiation.
  • a tube with a shaft standing beyond a haptic coupling is made possible by removal to a defined residual thickness and manual detachment of the thinned solid part with the shaft.
  • the removal is preferably carried out in a flowing
  • Angular impulse effects on the solid are avoided, as they occur, for example, during milling. This reduces the associated medical applications
  • the device provides protection against penetration of the solid with the ablated laser radiation through the residual thickness principle and an additional plate, so that a laser class 1 can be achieved.
  • the removal of the solids takes place without the movement of inert materials, so that the removal process can also be terminated instantaneously. In the event of

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schneiden oder Trennen von Feststoffen mittels energetischer Strahlung. In einem handgeführten Bearbeitungskopf (19) wird ein Bearbeitungsstrahl (13) über eine dynamische Strahlablenkeinheit (10) durch eine Strahlaustrittsöffnung geführt, durch die der Bearbeitungsstrahl (13) auf einen Bearbeitungsort (14) gerichtet werden kann. Durch eine Bilderfassungseinheit (17) werden während der Bearbeitung kontinuierlich Bilder eines den Bearbeitungsort (14) umfassenden Bereiches des Feststoffs (15) aufgenommen. Eine Bildauswerte- und Steuereinheit ermittelt aus den Bildern eine Fehlbewegung bei der manuellen Führung des Bearbeitungskopfes (19) und steuert die dynamische Strahlablenkeinheit (10) zu einer Strahllagekorrektur an. Die Strahlaustrittsöffnung ist an einem Ende eines Tubus (19') ausgebildet, über den ein Schaft (20) hinausragt, der er sich in die Schnittfuge (16) am Feststoff (15) einführen lässt und dadurch eine laterale Führung des Tubus (19') während der Bearbeitung ermöglicht. Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren können bei der Durchführung handgeführter Schnitt- und Trennvorgänge in Feststoffen schmale Schnittfugenbreiten mit hoher Qualität erzeugt werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Schneiden oder Trennen von Feststoffen durch Materialabtrag mittels
energetischer Strahlung
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schneiden oder Trennen von Feststoffen unter Einsatz eines handführbaren
Bearbeitungskopfes, mit dem ein Bearbeitungsstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, auf einen Bearbeitungsort auf dem Feststoff gerichtet wird. Mit einer derartigen Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren lassen sich beispielsweise Schnitte in plattenförmigen Feststoffen wie beispielsweise Blechen oder Keramikplatten
erzeugen. Weitere beispielhafte Anwendungsgebiete der Vorrichtung sind die Kraniotomie, die Wirbelsäulentherapie oder der Abtrag von Hartgewebe für operative Eingriffe in der Human- oder Veterinärmedizin.
Stand der Technik
Mit maschinengeführten Vorrichtungen zum Abtragen und Schneiden mit Laserstrahlung sind hohe Genauigkeiten in der Schnittführung erzielbar, da der Bearbeitungsstrahl durch die Maschinenachsen sehr genau geführt werden kann. Für einige Anwendungen sind jedoch handgeführte Systeme zum Schneiden mit Laserstrahlung erforderlich, wie sie beispielsweise aus dem Dokument von C. Schmid, „Handgeführte Lasermaterialbearbeitung mit Faserlasern" in
„ http : //www. bias . de/Events/Archive/Faserlaserseminar/Vo rtraege/6 Schmid.pdf" bekannt sind. Mit diesen Systemen werden im Wesentlichen thermisch induzierte Schneidprozesse in technischen Werkstoffen (Metalle, Keramik, Kunststoffe) durchgeführt, mit denen plattenförmige Werkstücke durchgeschnitten werden. Durch die Hand- führung werden Schnittbreiten erzeugt, die typischerweise deutlich größer als 1 mm sind. Es können daher nicht die Schnittfugenqualitäten eines maschinengeführten Laserschneidprozess erreicht werden. Die DE 195 19 150 AI beschreibt ein Laserstrahlgerät sowie ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken, das einen handgeführten, mit einer Fokus - sierungsoptik und einer dynamischen Strahlablenkeinheit versehenen Bearbeitungskopf aufweist. Die Strahlablenk- einrichtung bewegt den Laserstrahl dabei relativ zum Werkstück, beispielsweise um eine bestimmte Fläche abzutasten. In einer Ausgestaltung weist der Bearbeitungskopf ein Bildverarbeitungssystem auf, das mit einer auf die Strahlablenkeinrichtung wirkenden Naht- Verfolgungseinrichtung versehen ist. Damit kann der
Laserstrahl so ausgelenkt werden, dass er im gewünschten Bearbeitungs- oder Nahtbereich wirkt, ohne den Bearbeitungskopf nachführen zu müssen. Aus der DE 10 2007 030 395 AI sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen eines Werkstücks bekannt, bei dem Markierungen entlang eines Fügespaltes vor und hinter der Schweißstelle detektiert und ausgewertet werden, um bei Abweichungen des Füge- spaltes von der Soll-Position die Ist-Position zu ermitteln und die Lage des bearbeitenden Laserfokus zu korrigieren. Eine Positioniereinheit korrigiert die Position des Laserbearbeitungskopfes auf den neuen Sollwert. Alternativ wird die Fokusposition am
Bearbeitungsort durch einen Laserscanner auf die neue Soll-Position eingestellt. Die EP 1 848 389 Bl beschreibt ein Verfahren zur
Erstellung eines Ablationsprogramms für die Ablation von Material von einer Oberfläche eines Körpers, insbesondere von der Cornea des Auges, um durch
Bearbeitung mit Laserstrahlung die Fehlsichtigkeit des Auges korrigieren zu können. Bei dem Verfahren wird mittels OCT die Restdicke der Cornea bestimmt, um durch den Laserabtrag eine Restdicke der Cornea nicht zu unterschreiten . Die DE 10 2006 030 130 B3 beschreibt ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Energiestrahls, bei dem ein Bearbeitungskopf mit einem
optischen System eingesetzt wird, das mehrere strahlpositionierende Zusatzachsen aufweist, die den Laser- strahl geeignet formen bzw. positionieren. Die DE 10 2008 056 695 AI befasst sich mit einem Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, bei dem eine Kamera zur Beobachtung des Arbeitsbereiches des zu bearbeitenden Werkstücks am Bearbeitungskopf eingesetzt wird. Aus der DE 100 05 592 Cl ist schließlich ein hand- und maschinenführbares Laserwerkzeug zur Bearbeitung von Werkstücken bekannt, bei dem ein durch eine Düse auf die Bearbeitungsstelle senkrecht fallender Gas- oder Flüssigkeitsstrahl das durch den Laserstrahl aufgeschmolzene Material des Werkstücks aus der Schnittfuge herausbefördert. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Schneiden oder Trennen von Feststoffen mittels energetischer Strahlung mit einem handgeführten Bearbeitungskopf anzugeben, mit denen geringere Schnittfugenbreiten erzielbar sind.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung und dem
Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen. Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst einen hand- führbaren Bearbeitungskopf, in dem ein Bearbeitungs - strahl über eine dynamische Strahlablenkeinheit durch eine Strahlaustrittsöffnung geführt wird, durch die der Bearbeitungsstrahl mit dem Bearbeitungskopf auf einen Bearbeitungsort auf einen Feststoff gerichtet werden kann. Mit einer in oder an dem Bearbeitungskopf
angeordneten Bilderfassungseinheit werden während einer Bearbeitung kontinuierlich Bilder des den Bearbeitungsort umfassenden Bereiches des Feststoffs aufgenommen. Eine Bildauswerte- und Steuereinheit der Vorrichtung ermittelt aus den Bildern eine Fehlbewegung bei der manuellen Führung des Bearbeitungskopfes und steuert die dynamische Strahlablenkeinheit zu einer Strahl- lagekorrektur des Bearbeitungsstrahls an, mit der die durch den Bediener verursachte Fehlbewegung zumindest teilweise kompensiert wird. Der handgeführte Bearbeitungskopf weist einen Tubus auf, an dessen Ende die Strahlaustrittsöffnung ausgebildet ist. Dieser Tubus ist so bemessen, dass er den Bearbeitungsstrahl auf dem Weg zum Bearbeitungsort weitestgehend abschirmt, erstreckt sich im Falle eines fokussierten Laserstrahls als Bearbeitungsstrahl daher bis nahe an den Fokus des Laserstrahls. Am Ende des Tubus, d.h. im Bereich der Strahlaustrittsöffnung, ist ein Schaft mit dem Tubus verbunden, der über den Tubus hinausragt. Der Schaft ist vorzugsweise lateral und gegen eine Drehbewegung um seine Längsachse fixiert und derart ausgebildet, dass er sich in eine bereits durch die Bearbeitung erzeugte Schnittfuge am Feststoff einführen lässt. Damit kann der Tubus und somit der handgeführte Bearbeitungskopf während der weiteren
Bearbeitung über diesen Schaft lateral geführt werden, indem der Schaft während der weiteren Bearbeitung in der Schnittfuge geführt wird. Durch die dynamische Strahllagekorrektur werden bei der Handführung verursachte Fehlbewegungen des Bedieners, wie beispielsweise Zitterbewegungen,
vollständig oder zumindest teilweise kompensiert, so dass eine geringere Schnittfugenbreite und somit höhere Schnittfugenqualitat erreicht werden. Dadurch wird bei Verwendung eines Kurzpulslasers zur Erzeugung des
Bearbeitungsstrahls, bspw. eines ps-Lasers, eine hohe Prozesseffizienz erreicht, die ohne eine derartige Strahllagekorrektur nicht möglich wäre. Der Bediener führt den handführbaren Bearbeitungskopf dabei mit der Hand und wird von der Bildauswerte- und Steuereinheit als Assistenzsystem unterstützt. Durch das automatische Ausgleichen von Zitterbewegungen bei der Handführung kann eine schmale präzise Schnittfuge im Feststoff sowohl in ebener als auch in gekrümmter Plattengeometrie erzielt werden, deren makroskopischer Verlauf durch die Handführung bestimmt wird. Die Zitter- bewegungen der Hand während der Bearbeitung würden sonst zu unkontrollierten Positionsschwankungen des Einwirkorts des Bearbeitungsstrahls auf den Feststoff führen. Mit dem vorgeschlagenen Bearbeitungskopf kann der
Bearbeitungsstrahl mit sehr hoher Genauigkeit relativ zu der von ihm erzeugten dünnen Schnittfuge geführt werden. Dies wird dadurch gewährleistet, dass der am Tubus parallel zu Tubusachse montierte dünner Schaft während des Bearbeitungsprozesses in der Schnittfuge geführt wird. Der Durchmesser des Schaftes ist so dimensioniert, dass er mit geringem Spiel in der Fuge bewegt werden kann. Während des Schneidprozesses ist die werkseitige Frontfläche des Tubus auf das Werkstück aufgesetzt und der Schaft wird in Schnittrichtung gegen die Schnittkante gedrückt. Durch die Schaftführung erhält der Benutzer eine haptische Rückkopplung wie sie mechanischen Bearbeitungsprozessen z.B. durch Stichsägen oder Fräsen zueigen ist. Das bedeutet, die
Vorwärtsbewegung des Bearbeitungskopfes erfolgt wie bei diesen mechanischen Bearbeitungswerkzeugen zeitgleich und ortsgenau mit der Vorwärtsbewegung der Schnittkante. Der Bearbeitungskopf kann aufgrund des mechanischen Widerstandes des zu schneidenden Werkstoffes nie über das Ende des aktuellen Schnittes hinausbewegt werden. Zudem wird durch die Führung des Schafts in der Schnittfuge eine Fehlpositionierung des Bearbeitungskopfes in der Werkstücksebene und senkrecht zur Schnittrichtung sowie eine Verkippung des Handstücks bzw. Bearbeitungskopfes zur Flächennormalen des Werkstücks deutlich eingeschränkt. Die Bildauswerte- und Steuereinrichtung kann hierbei in einer Ausgestaltung so ausgeführt sein, dass sie einen Verlauf einer durch den Bediener vorab gesetzten Schnittmarkierung auf dem Feststoff erkennt und die Strahllagekorrektur jeweils unabhängig von der Bewegung des handgeführten Bearbeitungskopfes so durchführt, dass der Bearbeitungsstrahl der
Schnittmarkierung auf dem Werkstück folgt . Dies kann selbstverständlich nur innerhalb der durch die
dynamische Strahlablenkeinheit möglichen maximalen Korrektur erfolgen. Eine Zitterbewegung wird in dieser Alternative jedoch problemlos ausgeglichen. Auch eine durch ungenaue Führung des Bearbeitungskopfes
verursachte Abweichung wird in dieser Alternative kompensiert, solange diese Abweichung eine bestimmte Größe nicht überschreitet, die von der dynamischen Strahlablenkeinheit nicht mehr kompensierbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die
Bildauswerte- und Steuereinheit so ausgebildet, dass sie eine Zitterbewegung bei der manuellen Führung des Bearbeitungskopfes aus den Bildern erkennt und die dynamische Strahlablenkeinheit so ansteuert, dass die Zitterbewegung durch die Strahllagekorrektur zumindest teilweise kompensiert wird. Bei dieser Ausgestaltung erkennt die Vorrichtung vorzugsweise die Richtung der jeweils momentan auszuführenden Schnittkontur und damit aus den Bildern eine eventuell zu kompensierende
Abweichung. Die Richtung der jeweils momentan auszuführenden Schnittkontur kann bspw. durch die momentane Drehlage des Bearbeitungskopfes um die Achse des Bearbeitungsstrahls oder eine dazu parallele Achse in Bezug auf den Feststoff erkannt werden. In dieser Ausführung besitzt der Bearbeitungskopf eine vorzugsweise für den Bediener durch eine Markierung gekennzeichnete Vorzugsrichtung, in die der Bearbeitungskopf ausgerichtet wird. In dieser Richtung erfolgt der
Schneidprozess solange, bis sich die Drehlage des
Bearbeitungskopfes verändert. Die Bilderfassungseinheit erkennt eine geänderte Drehlage relativ zur alten
Schnittgeometrie und ermittelt eine Scannerbewegung, welche die beiden Schnittgeometrien vor und nach
Richtungsänderung an den Schnittgrenzen stetig zusam- menfügt . In einer Ausgestaltung des Bearbeitungskopfes mit Tubus und daran befestigtem Schaft, der in der Schnittfuge geführt wird, kann der Schaft auch mit einem oder mehreren Sensoren versehen sein, die eine Krafteinwirkung auf den Schaft durch eine vom Bediener ausgeführte Vorschubbewegung und somit die gewünschte Richtung erfassen. Ein Beispiel für derartige Sensoren sind Dehnungsmessstreifen im Schaft. Selbstverständlich bestehen auch noch andere Möglichkeiten, eine
Zitterbewegung durch die Bildauswertung zu erkennen und dann entsprechend durch eine Strahllagekorrektur zumindest teilweise zu kompensieren.
Vorzugsweise ist die Bildauswerte- und Steuereinheit so ausgebildet, dass sie bei Erreichen eines maximal möglichen Korrekturwertes der Strahllage- korrektur ein für den Bediener erkennbares Signal abgibt und die Bearbeitung unterbricht. Die dynamische Strahlablenkeinheit ist aufgrund der Konstruktion des Bearbeitungskopfes auf einen bestimmten Ablenkbereich beschränkt, so dass sie keine über diesen Ablenkbereich hinausgehende Strahllagekorrektur durchführen kann.
Wird durch die Bildauswerteeinrichtung eine größere Abweichung erkannt, so wird dem Bediener die Überschreitung dieses Bereiches durch ein Signal angezeigt, so dass er darüber informiert ist. Die Bearbeitung kann dann wieder aufgenommen werden, sobald der Bediener den Bearbeitungskopf wieder in den korrigierbaren Bereich eingebracht hat.
Als Bearbeitungsstrahl wird bei der vorgeschlagenen Vorrichtung und dem vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise ein Laserstrahl eingesetzt. Der Bearbei- tungskopf umfasst dabei in bekannter Weise eine
Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls auf den Bearbeitungsort. Auch weitere optische Elemente, insbesondere Umlenkelemente, können selbstverständlich für die Strahlführung im Bearbeitungskopf erforderlich sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist auch eine Einrichtung zur Verstellung der Fokuslage bzw. des Fokusabstandes vorgesehen, die zur Erzeugung des optimalen Materialabtrags angesteuert wird. Bei Verringerung der Restschichtdicke des Feststoffes durch den Materialabtrag kann dann die Fokusläge nachgeführt werden. Die vorgeschlagene Vorrichtung sowie das vorgeschlagene Verfahren sind nicht auf den Einsatz von Laserstrahlung beschränkt. Es können hierbei auch andere Bearbeitungsstrahlen, beispielsweise Elektronen- oder Ionenstrahlen zum Einsatz kommen, deren Strahllage in gleicher Weise korrigiert werden kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die
Vorrichtung in oder an dem handführbaren Bearbeitungs- köpf eine Messeinrichtung auf, die während der
Bearbeitung eine Restschichtdicke des Feststoffs am Bearbeitungsort misst. Die Messeinrichtung ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass sie bei Erreichen einer vorgebbaren Soll -Restschichtdicke oder bei vollständiger Durchtrennung des in der Regel platten- förmigen Feststoffs mit ebener oder gekrümmter
Plattengeometrie ein für den Bediener erkennbares
Signal abgibt und/oder automatisch die Bearbeitung unterbricht. Die Restdickenmessung kann zur Steuerung der Einrichtung zur Verstellung der Fokuslage sowie vor allem zur Steuerung des Materialabtrags verwendet werden, um eine definierte Restdicke zu erzeugen. Als Messeinrichtung für die Inline-Restdickenmessung zur Bestimmung der Restdicke des durchzutrennenden
Materials während des Schneidvorgangs kann beispielsweise ein OCT-Sensor (OCT: Optical Coherence Tomo- graphy) eingesetzt werden. Es sind selbstverständlich auch andere Sensoren, beispielsweise ein taktiler
Sensor oder ein Ultraschallsensor, möglich. Auch ein optischer Sensor auf der Basis einer Transmissionsmessung kann bei geeigneten Werkstoffen eingesetzt werden.
Eine Restdickenmessung kann auch z.B. durch
Kombination einer taktilen Gesamtdickenmessung des Feststoffes mit einem zweiten z.B. optischen Mess- verfahren zur Ermittlung der Schnitttiefe durchgeführt werden. Eine Messung der Gesamtdicke des Feststoffes kann z.B. über den Schaft in Kombination mit dem weiter unten beschriebenen plattenförmigen Element realisiert werden, das in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung in axialer Richtung durch einen Federmechanismus nach oben gezogen wird, so dass das Element beim Trennvorgang stets an der Unterseite des Fest- Stoffes anliegt. Die Dehnung der Feder hängt dabei von der Dicke des Feststoffes ab und kann zum Beispiel mit einem Dehnungsmessstreifen gemessen werden. Die
Schnitttiefe kann beispielsweise mit einem optischen Messverfahren, OCT oder mit chromatischen Sensoren, gemessen werden. Die Restdicke erhält man dann durch Differenzbildung. Diese Technik bietet sich vor allem bei Werkstoffen wie bspw. Aluminium an, die auch in geringer Dicke keine ausreichende Transparenz für eine optische Transmissionsmessung aufweisen.
Damit ermöglichen die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren die Durchführung handgeführter Schnitt- oder Trennvorgänge mit schmalen Schnittfugenbreiten und definierter Schnittfugentiefe in Feststoffen mit dem Bearbeitungsstrahl, insbesondere mit gepulster Laserstrahlung.
Der Abtrag des Materials mit dem Bearbeitungs- strahl erfolgt vorzugsweise in einem strömenden Fluid, insbesondere einem Gasstrom oder einer strömenden
Flüssigkeit, mit dem das abgetragene Material und thermische Energie aus dem Wechselwirkungsbereich herausgetragen wird. Durch den Abtrag im strömenden Fluid sind beispielsweise hohe Laserpuls-Repetitions- frequenzen ohne Übersprecheffekte aufeinander folgender Pulse erreichbar sowie hohe mittlere Laserleistungen einsetzbar. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass thermische Einflüsse auf das abzutragende Material durch das strömende Fluid weitgehend reduziert oder vollständig ausgeschlossen werden. Gerade bei der
Laserbearbeitung lässt sich durch die Beaufschlagung des Bearbeitungsortes mit einer Flüssigkeitsströmung Laserstrahlung hoher mittlerer Leistung einsetzen, ohne das Material um den Bearbeitungsort thermisch zu schädigen. Die Bearbeitung erfolgt dabei in der
Flüssigkeit bzw. unter der Flüssigkeitsoberfläche, da die Flüssigkeit den Bearbeitungsort vollständig
bedeckt. Für die Beaufschlagung des Bearbeitungsortes mit dem Fluid ist mindestens eine Düse am handführbaren Bearbeitungskopf angeordnet, die mit einer entsprechenden Zuführung für das Fluid verbindbar ist.
Auch eine Kombination einer vertikalen Spülung mit einer horizontaler Spülung ist vorteilhaft. Eine oder mehrere horizontale Effusionsdüsen spülen mit hoher Geschwindigkeit in die Schnittfuge hinein, um die abgetragenen Partikel aus der Schnittfuge zu entfernen. Die vertikale Spülung hält das Fenster für den Austritt des Bearbeitungsstrahls und damit den Bearbeitungs- strahlengang frei von Debris.
In einer Weiterbildung des handgeführten
Bearbeitungskopfes ist am Ende des Schafts, unterhalb der Schnittfuge, ein plattenförmiges Element befestigt, das auf der Achse des Bearbeitungsstrahls liegt und somit den Bearbeitungsstrahl bei vollständigem
Durchdringen des Feststoffs blockt. Bei Nutzung eines derart ausgebildeten Bearbeitungskopfes mit dem Schaft und dem daran befestigten Element wird zu Beginn der
Bearbeitung mit geeigneten Mitteln, beispielsweise mit einem Bohrer, eine Öffnung in den Feststoff eingebracht, durch den sich der Schaft mit dem daran befestigten Element einführen und das Element unterhalb des Bearbeitungsortes bringen lässt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Schaft in axialer Richtung mit einem Federmechanismus nach oben gezogen, so dass das plattenförmige Element beim Trennvorgang stets auf der Unterseite des Feststoffs anliegt. Beim Einführen des Schafts und des plattenförmigen Elements durch die vorbereitete Öffnung wird der Schaft z.B. manuell - gegen die Federkraft - nach unten gedrückt und mit einer kleinen Vorschubbewegung wird das plattenförmige Element auf die
Unterseite des Feststoffs geführt. Der Schaft wird dann wieder freigegeben und nun über den Federmechanismus stets nach oben gezogen, so dass das plattenförmige Element mit definierter Kraft auf der Unterseite des Feststoffs anliegt. In einer medizintechnischen
Anwendung am Schädel übernimmt das plattenförmige
Element die Funktion des Duraablösers, d.h. sie trennt mit der Vorschubbewegung des Bearbeitungskopfes die an der Innenseite des Schädelknochens anhaftende Hirnhaut vom Schädelknochen und vermeidet so eine Verletzung der Hirnhaut . Die Bilderfassungseinheit ist bei der vorgeschlagenen Vorrichtung vorzugsweise durch eine Kamera und eine Beleuchtungseinrichtung realisiert, die so in oder an dem handgeführten Bearbeitungskopf angeordnet sind, dass die Bilder des den Bearbeitungsort
umfassenden Bereiches koaxial zum Bearbeitungsstrahl aufgenommen werden. Im Falle der obigen Ausbildung des Bearbeitungskopfes mit einem Tubus werden die Bilder daher vorzugsweise durch den Tubus hindurch aufge- zeichnet. Der Bearbeitungsstrahl sowie der Beleuchtungsstrahl werden durch Umlenkelemente und Strahl- teiler geeignet im Bearbeitungskopf geführt. Zur
Unterdrückung der vom Bearbeitungsort emittierten
Sekundärstrahlung und reflektierten Bearbeitungsstrahlung werden vorzugsweise Filter vor der Kamera eingesetzt, die die Wellenlängen des Beleuchtungs- strahls weitestgehend passieren lassen, die Wellenlängen der Bearbeitungs- und Sekundärstrahlung jedoch weitestgehend blockieren. Die Wellenlänge der
Beleuchtungsstrahlung wird hiezu geeignet gewählt.
Für die Materialbearbeitung wird bei der
vorgeschlagenen Vorrichtung vorzugsweise ein Laser, insbesondere ein Kurzpulslaser eingesetzt. Dieser Laser kann außerhalb des handgeführten Bearbeitungskopfes angeordnet und über eine flexible oder gelenkige
Strahlführung mit dem Bearbeitungskopf verbunden sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Faseroptik oder einen Gelenkspiegelarm handeln. Im Falle der
Nutzung kleinerer Laser, beispielsweise von Halbleiterlasern, kann der Laser selbstverständlich auch im oder am handgeführten Bearbeitungskopf untergebracht sein. Auch die Bildauswerte- und Steuereinrichtung kann sowohl in oder an dem handgeführten Bearbeitungskopf als auch außerhalb dieses Bearbeitungskopfes angeordnet sein.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit ein Bearbeitungsstrahl mit einem handgeführten Bearbeitungskopf auf einen Bearbeitungsort auf einem Feststoff gerichtet, wobei durch eine in oder an dem Bearbeitungskopf angeordnete Bilderfassungseinheit während einer Bearbeitung kontinuierlich Bilder eines den Bearbeitungsort umfassenden Bereiches des Feststoffs aufgenommen werden. Aus den Bildern wird eine Fehl- bewegung bei der manuellen Führung des Bearbeitungs- kopfes ermittelt und eine im Bearbeitungskopf
angeordnete dynamische Strahlablenkeinheit zu einer Strahllagekorrektur angesteuert, mit der die
Fehlbewegung zumindest teilweise kompensiert wird. Die vorgeschlagene Vorrichtung kann sehr vorteilhaft auch im medizinischen Bereich eingesetzt werden, beispielsweise für neurochirurgische Operationen am Kopf oder an der Wirbelsäule. Hierbei können Zugänge - Kraniotomien - zum Operationsfeld hergestellt und Hartgewebeteile mit der Vorrichtung entfernt werden. Die Vorrichtung ermöglicht bei diesen Anwendungen den Verzicht auf bisher eingesetzte handgeführte mikrochirurgische Instrumente wie Bohrer und Knochenfräsen, die Knochenmaterial mechanisch abtragen. Der durch den Operateur beim Abtrag des Knochens mit der Fräse zu erzeugende hohe Anpressdruck mit dem Fräskopf auf den abzutragenden Knochen entfällt bei Nutzung der
vorgeschlagenen Vorrichtung. Auch bei Operationen am Stütz- oder Bewegungsapparat sowie in der Mund- und Kieferchirurgie und bei Operationen am Gehörapparat können bisherige mechanische Operationswerkzeuge durch die vorgeschlagene Vorrichtung ersetzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das zugehörige
Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungs- beispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen: Fig. 1 ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung in schematischer Darstellung;
Fig. 2 ein Beispiel für die Durchführung eines
Schnittes mit der vorgeschlagenen Vorrichtung; und ein Beispiel für eine Ausgestaltung de:
Vorrichtung mit einem Gelenkspiegelarm zwischen Laser und handgeführtem
Bearbeitungskopf .
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Figuren 1 und 2 zeigen beispielhaft das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Eine gepulste Laserstrahlquelle 1 erzeugt einen Laserstrahl 2, der über eine Strahlführung 3 einem handführbaren Bearbei - tungskopf 19 - im Folgenden auch Handstück genannt - zugeleitet wird. Die Strahlführung 3 ist beispielsweise ein Gelenkspiegelarm oder eine Faseroptik.
Im Handstück 19 gelangt der Laserstrahl 4 über zwei Ablenkelemente 8, 5 zu einer Positioniereinheit
10, die den Laserstrahl in zwei Raumrichtungen (x- und y-Richtung, siehe Koordinatensystem 18 in Figur 1) ablenkt und die Fokuslage des Laserstrahls (in z- Richtung) bestimmt. Der abgelenkte und in seiner
Fokuslage beeinflusste Laserstrahl 11 wird über ein
Ablenkelement 12 und eine Fokussierlinse 23 durch ein Fenster 24 in einem Tubus 19' geführt und erreicht den Wechselwirkungs- bzw. Bearbeitungsort 14 am Feststoff 15 als Bearbeitungsstrahl 13.
Im Feststoff 15 erzeugt der Laserstrahl eine
Schnittfuge 16, die in Figur 1 im Längsschnitt parallel zur x-Richtung dargestellt ist. Die y-Koordinate zeigt senkrecht zur Schnittfuge, die z-Koordinate zeigt in das Material hinein. Der zu trennende Feststoff habe eine Dicke d 21.
Im Einwirkbereich des gepulsten Laserstrahls wird eine Schnitttiefe ds erzeugt, wobei gilt: ds < d (1)
Die Schnitttiefe ist also stets kleiner oder gleich groß wie die Dicke des plattenförmigen
Feststoffs am Bearbeitungsort 14. Vorzugsweise wird ds < d gewählt, so dass eine Restdicke 22 verbleibt: dr = d - ds > 0.
Diese Restdicke wird mit einer koaxial zum
gepulsten Laserstrahl geführten Messstrahlung inline, d.h. während des Abtragsprozesses, gemessen. Dazu wird der Messstrahl 7 z.B. eines OCT-Sensors 6 über das auch als Strahlvereiniger wirkende Element 5 mit dem
Ablationslaserstrahl 9 überlagert und der Positioniereinheit 10 zugeführt. Nach dem Austritt aus der
Positioniereinheit 10 wird dieser Messstrahl zusammen mit dem Laserstrahl 11 über das Ablenkelement 12, die Fokussieroptik 23 und das Fenster 24 schließlich durch den Tubus 19' auf den Bearbeitungsort 14 gerichtet. Das rückgestreute Licht der Messstrahlung läuft anti- parallel zum einfallenden Strahl über den gleichen Weg wieder zurück bis zum OCT- Sensor 6 wie durch die
Doppelpfeile auf diesem Strahlpfad (13, 11, 9 und 7) angedeutet ist.
Der OCT- Sensor 6 bestimmt die Restdicke dr 22.
Vorzugsweise wird die Restdicke während des
Materialabtrags gemessen. Das gewonnene Signal der Restdicke wird für die Steuerung der Laserstrahlquelle 1 und der Positioniereinheit 10 verwendet, um eine definierte Größe der Restdicke zu erzielen.
Mit dem Tubus 19' verbunden ist ein Schaft 20, der durch die bereits erzeugte Schnittfuge 16 auf die
Unterseite des Feststoffs 15 reicht (siehe Figur 1) . Am Ende des Schafts befindet sich eine Platte 20' . Schaft 20 und Platte 20 'sind so am Tubus 19 'montiert, dass die Platte 20' sich unterhalb der gedachten Verlängerung des Bearbeitungsstrahls 13 befindet. Beispielsweise hat die Platte 20' kreisförmige Gestalt und steht senkrecht auf dem Schaft 20. Der Schaftquerschnitt ist so
gewählt, dass seine größte Abmessung kleiner ist als die Schnittfugenbreite. Auf diese Weise kann er mit dem Handstück 19 in der bereits erzeugten Schnittfuge 16 bewegt werden. Alternativ kann die Platte 20'z.B. zur Bearbeitung stark gekrümmter Flächen - wie in der
Wirbelsäulenchirurgie - entfallen.
Der Bediener bewegt manuell das Handstück 19 mit dem Tubus 19' und dem damit verbundenen Schaft 20 in x- Richtung. Handstück und Tubus stehen näherungsweise senkrecht auf der Oberfläche des Feststoffs 15. Der Schaft ermöglicht eine laterale Führung des Handstücks (Einschränkung des Bewegungsspielraums in y-Richtung am Ort des Schafts 20) .
Weiterhin gibt der Schaft 20 dem Bediener eine haptische Rückkopplung. Mit dem Schaft 20 kann der Bediener ein Stück des Feststoffs, das zuvor mit dem gepulsten Laserstahl bis auf die Restdicke abgetragen wurde, durch mechanische Einwirkung mit dem Schaft herauslösen. Die dafür erforderliche Kraft hängt von den werkstofflichen Eigenschaften des Feststoffs und der Größe der Restdicke ab. Das mechanisch abgelöste oder abgebrochene Stückchen wird über das strömende Fluid aus der Wechselwirkungszone getragen. Das Fluid wird über eine Düse 19 , auch als
Effusionsdüse bezeichnet, sowie im vorliegenden
Beispiel zusätzlich über eine Anordnung mehrerer weiterer Düsen 19" (Düsenkranz) am oder im Tubus 19' in den Wechselwirkungsbereich eingeströmt . Aus dem Düsenkranz strömt das Fluid in Richtung unteres Ende des Tubus 19' und hält abgetragende Partikel vom
Fenster 24 fern sowie den Strahlpropagationsweg
zwischen dem Fenster 24 und dem Bearbeitungs- bzw.
Wechselwirkungsort 14 frei. Die Effusionsdüse 19 ist mit ihrem Austrittsende möglichst nahe am Wechsel-
Wirkungsbereich angeordnet . Aus dieser Düse wird das Fluid mit großer lokaler Strömungsgeschwindigkeit auf den Bearbeitungsort 14 gerichtet. Dadurch wird die lokale Austauschrate im Wechselwirkungsbereich weiter erhöht und damit die Abtragseffizienz gesteigert.
Der Abtrags- und Messvorgang wird vorzugsweise im Fluid durchgeführt, so dass beispielsweise das Innere des Tubus 19' bis zum optischen Fenster 24 und Teile der Schnittfuge 16 insbesondere im Bereich des
Bearbeitungsortes 14 vollständig mit dem Fluid gefüllt sind. Als Fluid kommen insbesondere wässrige Lösungen, wie z.B. destilliertes Wasser, Kochsalzlösungen etc. in Betracht. Durch die Anordnung des Fensters 24 im unteren Bereich des Tubus 19' wird das Fluidvolumen zwischen dem Fenster 24 und dem Feststoff 15 minimiert und damit ein schnellerer Fluidaustausch (Volumenein- heit pro Zeiteinheit) erzielt. Letzteres ist wiederum für eine hohe Abtragseffizienz und zur Vermeidung von thermischen Schädigungen des Feststoffs wichtig.
Die Wellenlänge des Ablationslasers 1 ist so gewählt, dass sie im Fluid, wie z.B. in einer wässrigen Lösung, nur eine geringe Absorption aufweist. Für wässrige Lösungen wird vorzugsweise eine Wellenlänge im grünen Spektralbereich gewählt, wie z.B. die
verdoppelte Grundschwingung eines Nd:YAG Lasers bei 532 nm.
Das Emissionsspektrum der Strahlquelle des OCT- Sensors 6 wird so gewählt, dass einerseits das Fluid mit geringer Absorption durchdrungen wird und
andererseits die Restdicke des Feststoffs vermessen werden kann. Das heißt, dass die Messstrahlung
zumindest z.B. in der Lage sein muss, den Feststoff im Bereich der Restdicke zu durchdringen und somit ein OCT-Signal sowohl von der Oberseite als auch von der Unterseite zu gewinnen. Beispielsweise beträgt die Restdicke eines Schädelknochens 1 μπι bis 1 mm. Ist der Feststoff 15 ein Hartgewebe, wie z.B. ein Knochen, wird ein Schwerpunkt des Emissionsspektrums der Strahlquelle des OCT-Sensors im Bereich von 700 bis 1100 nm gewählt. Beispielsweise wird eine Superlumineszenzdiode mit einer maximalen Emission bei 905 nm gewählt .
Die optischen Komponenten 5, 10, 12, 23, 24 sind so beschaffen, dass sie sowohl die Wellenlänge des Ablationslasers 1 als auch die Wellenlänge des OCT- Sensors 6 hinreichend reflektieren oder transmittieren.
Die Positioniereinheit 10 enthält vorzugsweise zwei 2D-Scannerspiegel . Unter einem 2D-Scannerspiegel wird ein Spiegel verstanden, der in zwei Raumrichtungen (zweidimensional = 2D) abgelenkt werden kann.
Alternativ können einer oder beide 2D-Scannerspiegel durch zwei 1D-Scannerspiegel ersetzt werden. Einer der beiden 2D-Scannerspiegel wird zur kontinuierlichen Führung des Laserstrahls zum Materialabtrag über die zu bearbeitende Oberfläche in zwei Dimensionen verwendet. Der zweite 2D-Scannerspiegel in der Positioniereinheit 10 wird zur dynamischen Strahllagekorrektur verwendet und dient dazu, die Zitterbewegungen des Bedieners bei der manuellen Führung des Handstücks 19 auszugleichen.
In einer anderen Ausführungsform können beide Aufgaben - kontinuierliche Strahlführung und dynamische Strahllagekorrektur - von einem einzigen 2D-Scanner- spiegel übernommen werden.
Die Positioniereinheit 10 enthält neben den
Scannerspiegeln noch eine Verstelleinheit für die axiale Lage (z -Richtung in Figur 1) des Laserfokus im Bearbeitungsraum. Diese Verstelleinheit wird z.B. mit einer Teleskopoptik ausgeführt, die bspw. motorisch verstellbar sein kann. Für die dynamische Strahllagekorrektur wird der
Feststoff innerhalb des Bereichs der dem Feststoff zugewandten Öffnung des Tubus 19' mit einer Kamera 17 koaxial beobachtet. Dazu wird der Wechselwirkungsbereich 14 mit einer - in Figur 1 nicht dargestellten - Strahlquelle beleuchtet, deren Licht an der Oberfläche des Feststoffs und der Schnittfuge gestreut und zur Bildgebung verwendet wird. Dabei können sowohl
Hellfeld- als auch Dunkelfeldbeleuchtungsanordnungen verwendet werden.
Die Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlquelle und ihre Bestrahlungsstärke sind so gewählt, dass trotz der durch den Laserabtrag bedingten breitbandigen
Plasmastrahlung am Wechselwirkungsort ein auswertbares Bild der Abtragsszenerie und ihrer Umgebung aufgenommen werden kann. Vorzugsweise wird eine schmalbandige
Laserstrahlquelle für die Beleuchtung verwendet, z.B. mit der Wellenlänge 808 nm. Vor der Kamera 17 befindet sich ein Filterelement 17' , das die Beleuchtungs - Wellenlänge transmittiert und die Störstrahlung des
Plasmaeigenleuchtens des Abtragsprozesses als auch die Streustrahlung des Ablationslaserlichts und des OCT- Messstrahls weitgehend unterdrückt. Als Beleuchtungs- strahlquelle wird vorzugsweise eine Laserdiode im
Emissionsbereich zwischen 600 nm und 1000 nm gewählt, wie z.B. bei 808 nm. Figur 2 illustriert das Verfahren zur Erzeugung handgeführter Laserschnitte in plattenförmigen oder gekrümmten Feststoffen. In den Feststoff 15 wird mit herkömmlichen Methoden eine Zugangsöffnung 25 erstellt, z.B. durch einen Bohrer. Der Durchmesser dieser
Durchgangsbohrung ist so gewählt, dass die Platte 20' am Schaft 20 des Handstücks 19 durchgeführt werden kann. Der Bediener hat zuvor die gewünschte Schnittkontur 26 auf dem Feststoff 15 markiert oder in seiner Vorstellung festgelegt. Nun führt der Bediener das Handstück 19 in der Richtung 27 entlang der Markierung oder gemäß seiner Vorstellung der Schnittkontur 26.
Aufgrund der manuellen Führung und der endlichen Breite der Markierung kann er dies nur mit begrenzter
Genauigkeit durchführen.
Eie Recheneinheit und ein Programm (Bildverar- beitungsalgorithmus) werten kontinuierlich die Daten der Kamera 17 und des - z.B. OCT-Sensors 6 - aus. Die Kameradaten werden für ein Verfolgen (Tracking) von Merkmalen der FeststoffOberfläche, der Markierung - sofern vorhanden - und der erzeugten Schnittgeometrie verwendet. Dabei werden auch intrinsische Texturmerkmale der FeststoffOberfläche erkannt, die mit dem bloßen Auge nicht mehr sichtbar sind, und diese
Merkmale permanent beobachtet bzw. nachverfolgt. Die erkannten Merkmale dienen als Orientierungspunkte, um bspw. eine Zitterbewegung des Handstücks 19 und damit eine Abweichung des Bearbeitungsfokus von einer
Sollposition ohne Zitterbewegung zu detektieren. Aus dem Tracking werden Steuersignale für den dynamischen 2D-Scanner in der Positioniereinheit 10 abgeleitet, so dass trotz einer Zitterbewegung bei der manuellen
Führung des Handstücks 19 der Ablationslaserstrahl auf die Schnittfuge geführt wird und eine optimale
Abtragsrate (Volumen des abgetragenen Feststoffs pro Zeiteinheit) und Abtragsgeometrie erzielt wird. Eine optimale Abtragsrate wird erzielt, wenn der Laserstrahl mit einer definierten Scanbewegung (in x- und y- Richtung, siehe Figur 1) im Bereich der zu erzeugenden Schnittfuge bewegt wird.
Die beschriebene Kompensation ist nur innerhalb eines begrenzten Fangbereichs möglich. Wird die Grenze des Fangbereichs erreicht, so erzeugt die Recheneinheit eine Signalisierung - z.B. durch Leuchtzeichen oder Signaltöne am Handstück oder den zugehörigen
Peripheriegeräten - so dass der Bediener erkennt, dass die Grenze des Fangbereichs erreicht ist. In diesem Fall wird die Laserablation unterbrochen.
Vorzugsweise wird die Signalisierung so gestaltet, dass der Bediener erfährt, in welcher Richtung er das Handstück bewegen muss, um wieder in den Fangbereich zu gelangen. Ist das Handstück wieder im Fangbereich, wird der Abtragsprozess fortgesetzt.
Die OCT-Messungen oder andere optische Messverfahren erfassen die Restdicke. Wird ein zuvor definierter Schwellwert für die Restdicke erreicht oder unterschritten, so wird der Abtragsprozess an dieser Stelle abgebrochen. Eine Signalisierung zeigt dem
Bediener an, dass er ein gedünntes Stückchen mit dem Schaft 20 herauslösen kann. Alternativ kann der Feststoff komplett durchtrennt werden. Dies ist z.B. bei nicht-klinischen Applikationen möglich.
Das Handstück ist durch Schutzeinrichtungen so gestaltet, dass für den Bediener ein Lasersystem der Klasse 1 vorliegt. Dazu wird der Tubus 19' am dem
Feststoff zugewandten Ende mit einer flexiblen Muffe versehen, die den Austritt gestreuter Laserstrahlung aus dem Wechselwirkungsbereich verhindert . Der
Durchtritt der Laserstrahlung auf die Rückseite des Feststoffs wird einerseits dadurch verhindert, dass der Abtrag nur bis auf eine endliche Restdicke erfolgt und andererseits durch die Platte 20' blockiert wird.
Für den Ablationslaser wird vorzugsweise ein
Pikosekundenlaser verwendet. Dieser arbeitet mit
Pulsfrequenzen zwischen 1 kHz und 1000 MHz, bei
mittleren Leistungen von 1 W bis 1000 W. Die Pulsdauer beträgt < 500 ps . Alternativ werden Nanosekunden- oder Femtosekunden- Pulse verwendet.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung mit einem Gelenkspiegelarm als Strahlführung 3 zwischen einem
stationären Teil 28 der Vorrichtung und dem handgeführten Bearbeitungskopf 19. Eine derartige
Ausgestaltung bietet sich für eine Anwendung in der Kraniotomie an, wie dies in der Figur angedeutet ist. In dem stationären Teil 28 der Vorrichtung befinden sich der Laser sowie die Bildauswerte- und Steuereinrichtung, die über entsprechende, ebenfalls im oder am Gelenkspiegelarm geführte Kabel mit den entsprechenden Komponenten des handgeführten Bearbeitungskopfes 19 verbunden sind. Die vorgeschlagene Vorrichtung und das zugehörige
Verfahren ermöglichen die Erzeugung präziser schmaler Schnitte in Feststoffen mit einem handgeführten
Bearbeitungskopf und geeigneter Bearbeitungsstrahlung, insbesondere gepulster Laserstrahlung. Durch Nutzung eines Tubus mit einem darüber hinaus stehenden Schaft wird eine haptische Kopplung durch Abtrag bis auf eine definierte Restdicke und manuelles Herauslösen des gedünnten Feststoffteils mit dem Schaft ermöglicht. Der Abtrag erfolgt vorzugsweise in einer strömenden
Flüssigkeit zum Abtransport des abgetragenen Materials und zur Vermeidung thermischer Schädigungen am
Feststoff. Mit der Vorrichtung werden mechanische
Drehimpulseinwirkungen auf den Feststoff vermieden, wie sie beispielsweise beim Fräsen auftreten. Damit sinken bei medizinischen Anwendungen die dadurch bedingten
Verletzungsrisiken für einen Patienten. Die Vorrichtung bietet Schutz vor Durchdringung des Feststoffs mit der ablatierten Laserstrahlung durch das Restdickenprinzip und eine zusätzliche Platte, so dass eine Laserklasse 1 erreichbar ist. Der Abtrag der Feststoffe erfolgt ohne die Bewegung träger Massen, so dass sich der Abtrag- prozess auch instantan beenden lässt. Im Falle
klinischer Anwendungen wird mit der Vorrichtung eine erhöhte Operationssicherheit bei reduzierten Verlet- zungsgefahren erreicht. Bezugszeichenliste
I Gepulste Laserstrahlquelle
2 Laserstrahl
3 Strahlführung
4 Laserstrahl
5 Ablenkelement, Strahlvereiniger
6 OCT-Sensor
7 Messstrahl
8 Ablenkelement
9 Laserstrahl
10 Positioniereinheit
II Laserstrahl
12 Ablenkelement
13 Bearbeitungs- bzw. Ablationsstrahl
14 Bearbeitungsort
15 Feststoff
16 Schnittfuge
17 Kamera
17' Filter
18 Koordinatensystem
19 handgeführter Bearbeitungskopf 19' Tubus
19' ' Düsenkranz
19' " Düse
20 Schaft
20' Platte
21 Dicke d
22 Restdicke dr
23 Fokussierlinse
24 Fenster
25 Zugangsöffnung gewünschte Schnittkontur
Schnittrichtung
stationärer Teil der Vorrichtung

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zum Schneiden oder Trennen von
Feststoffen durch Materialabtrag, mit
- einem handführbaren Bearbeitungskopf (19) , in dem ein Bearbeitungsstrahl (13) über eine dynamische Strahlablenkeinheit (10) durch eine Strahlaustrittsoffnung geführt wird, durch die der
Bearbeitungsstrahl (13) mit dem Bearbeitungskopf (19) auf einen Bearbeitungsort (14) auf einem
Feststoff (15) gerichtet werden kann,
- eine in oder an dem Bearbeitungskopf (19) angeordnete Bilderfassungseinheit (17) , mit der während einer Bearbeitung kontinuierlich Bilder eines den Bearbeitungsort (14) umfassenden
Bereiches des Feststoffes (15) aufgenommen werden, und
- einer Bildauswerte- und Steuereinheit, die aus den Bildern eine Fehlbewegung bei einer manuellen Führung des Bearbeitungskopfes (19) ermittelt und die dynamische Strahlablenkeinheit (10) zu einer Strahllagekorrektur ansteuert, mit der die
Fehlbewegung zumindest teilweise kompensiert wird,
- wobei die Strahlaustrittsöffnung an einem Ende eines Tubus (19') ausgebildet ist, der den
Bearbeitungsstrahl (13) auf dem Weg zum
Bearbeitungsort (14) abschirmt, und
- wobei im Bereich der Strahlaustrittsöffnung ein Schaft (20) über den Tubus (19') hinausragt, der starr mit dem Tubus verbunden und so ausgebildet ist, dass er sich in eine durch die Bearbeitung erzeugte Schnittfuge (16) am Feststoff (15)
einführen lässt und dadurch eine laterale Führung des Tubus (19') während der Bearbeitung ermöglicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bildauswerte- und Steuereinheit so
ausgebildet ist, dass sie eine Zitterbewegung bei der manuellen Führung des Bearbeitungskopfes (19) erkennt und die dynamische Strahlablenkeinheit (10) so ansteuert, dass die Zitterbewegung durch die Strahllagekorrektur zumindest teilweise kompensiert wird .
Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bildauswerte- und Steuereinheit so
ausgebildet ist, dass sie einen Verlauf einer
Schnittmarkierung auf dem Feststoff (15) erkennt und die Strahllagekorrektur so durchführt, dass de Bearbeitungsstrahl (13) der Schnittmarkierung auf dem Feststoff (15) folgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bildauswerte- und Steuereinheit so
ausgebildet ist, dass sie eine Richtung der jeweil momentan auszuführenden Schnittkontur in
Abhängigkeit einer momentanen Drehlage des
Bearbeitungskopfes (19) um die Achse des
Bearbeitungsstrahls (13) oder eine dazu parallele Achse in Bezug auf den Feststoff (15) erkennt. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bildauswerte- und Steuereinheit so
ausgebildet ist, dass sie bei Erreichen eines maximal möglichen Korrekturwertes der
Strahllagekorrektur ein für einen Bediener
erkennbares Signal abgibt und die Bearbeitung unterbricht .
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine Düse (19", 19 ) am
handführbaren Bearbeitungskopf (19) angeordnet ist, über die der Bearbeitungsort (14) während der
Bearbeitung mit einer Fluidstromung beaufschlagbar
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass an einem dem Tubus (19') gegenüberliegenden Ende des Schafts (20) ein plattenförmiges Element (20') angebracht ist, das die durch den Tubus (19') verlaufende Achse des Bearbeitungsstrahls (13) schneidet .
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bildauswerte- und Steuereinheit so
ausgebildet ist, dass sie eine Richtung der jeweils momentan auszuführenden Schnittkontur aus einer Krafteinwirkung auf den Schaft (20) durch eine vom Bediener ausgeführte Vorschubbewegung erkennt. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass in oder an dem handführbaren Bearbeitungskopf (19) eine Messeinrichtung (6) angeordnet ist, die während der Bearbeitung eine Restschichtdicke (22) des Feststoffs (15) am Bearbeitungsort (14) misst.
Vorrichtung nach Anspruch 9 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messeinrichtung (6) so ausgebildet ist, dass sie bei Erreichen einer Soll-Restschichtdicke oder bei einer vollständigen Durchtrennung des Feststoffs (15) ein für einen Bediener erkennbares Signal abgibt und/oder die Bearbeitung unterbricht
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messeinrichtung (6) einen OCT-Sensor umfasst .
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
dass die dynamische Strahlablenkeinheit (10) mindestens eine 2D-Scaneinheit umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bilderfassungseinheit (17) so angeordnet ist, dass die Bilder des den Bearbeitungsort (14) umfassenden Bereiches des Feststoffs (15) koaxial zum Bearbeitungsstrahl (13) aufgenommen werden. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung einen außerhalb des hand- führbaren Bearbeitungskopfes (19) angeordneten Laser (1) zur Erzeugung eines Laserstrahls (2) als Bearbeitungsstrahl aufweist, wobei der Laserstrahl (2) über eine biegsame oder gelenkige Strahlführungseinrichtung (3) in den Bearbeitungskopf (19) geführt wird.
Verfahren zum Schneiden oder Trennen von
Feststoffen durch Materialabtrag, bei dem ein
Bearbeitungsstrahl (13) mit einem handgeführten Bearbeitungskopf (19) , in dem der Bearbeitungsstrahl über eine dynamische Strahlablenkeinheit (10) durch eine Strahlaustrittsöffnung gelenkt wird, auf einen Bearbeitungsort (14) auf einem Feststoff (15) gerichtet wird,
- wobei durch eine in oder an dem Bearbeitungskopf (19) angeordnete Bilderfassungseinheit (17) während einer Bearbeitung kontinuierlich Bilder eines den Bearbeitungsort (14) umfassenden Bereiches des Feststoffs (15) aufgenommen werden, aus den Bildern eine Fehlbewegung bei der manuellen Führung des Bearbeitungskopfes (19) ermittelt und die
dynamische Strahlablenkeinheit (10) zu einer
Strahllagekorrektur angesteuert wird, mit der die Fehlbewegung zumindest teilweise kompensiert wird,
- wobei ein handgeführter Bearbeitungskopf (19) eingesetzt wird, bei dem die Strahlaustrittsöffnung an einem Ende eines Tubus (19') ausgebildet ist, der den Bearbeitungsstrahl (13) auf dem Weg zum Bearbeitungsort (14) abschirmt, und im Bereich der Strahlaustrittsöffnung ein Schaft (20) über den Tubus (19') hinausragt, der starr mit dem Tubus verbunden ist, und
- wobei der Schaft (20) in eine durch die
Bearbeitung erzeugte Schnittfuge (16) am Feststoff (15) eingeführt und während der Bearbeitung in der Schnittfuge (16) geführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Bearbeitungsort (14) während der
Bearbeitung mit einer Fluidströmung beaufschlagt wird .
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Bearbeitungsort (14) während der
Bearbeitung durch den Tubus (19') hindurch mit einer Flüssigkeitsströmung beaufschlagt wird, so dass sich der Tubus (19') zumindest teilweise mit der Flüssigkeit füllt und die Bearbeitung in der Flüssigkeit erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
dass während der Bearbeitung über eine am oder im Bearbeitungskopf (19) angeordnete Messeinrichtung (6) eine Restschichtdicke (22) des Feststoffs (15) am Bearbeitungsort (14) gemessen und bei Erreichen einer Soll-Restschichtdicke oder bei einer
vollständigen Durchtrennung des Feststoffs (15) ein für einen Bediener erkennbares Signal abgegeben und/oder die Bearbeitung automatisch unterbrochen wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Materialabtrag mit dem Bearbeitungsstrahl nur bis auf eine Soll-Restschichtdicke (22) erfolgt und ein verbleibender Feststoffteil jeweils manuell mit dem Schaft (20) herausgelöst wird.
PCT/EP2012/004695 2011-11-15 2012-11-12 Vorrichtung und verfahren zum schneiden oder trennen von feststoffen durch materialabtrag mittels energetischer strahlung Ceased WO2013072033A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011118540.6A DE102011118540B4 (de) 2011-11-15 2011-11-15 Vorrichtung und Verfahren zum Schneiden oder Trennen von Feststoffen durch Materialabtrag mittels energetischer Strahlung
DE102011118540.6 2011-11-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013072033A1 true WO2013072033A1 (de) 2013-05-23

Family

ID=47297082

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/004695 Ceased WO2013072033A1 (de) 2011-11-15 2012-11-12 Vorrichtung und verfahren zum schneiden oder trennen von feststoffen durch materialabtrag mittels energetischer strahlung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102011118540B4 (de)
WO (1) WO2013072033A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2017082396A1 (ja) * 2015-11-13 2018-08-30 株式会社エーピーアイ コーポレーション ラコサミド及びその中間体の製造方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017114518B4 (de) * 2017-06-29 2019-05-09 Technische Universität Hamburg-Harburg Laserstrahlschneiden
DE102024130504A1 (de) * 2024-10-21 2026-04-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Laserchirurgisches System zum Schneiden von Hartgewebe

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19519150A1 (de) 1995-05-30 1996-12-12 Fraunhofer Ges Forschung Laserstrahlgerät und Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken
DE10005592C1 (de) 2000-02-09 2001-10-04 Horst Exner Hand- und maschinenführbares Laserwerkzeug zur Bearbeitung von Werkstücken
US6881925B1 (en) * 1997-12-09 2005-04-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Laser emission head, laser beam transmission device, laser beam transmission device adjustment method and preventive maintenance/repair device of structure in nuclear reactor
DE102006030130B3 (de) 2006-06-28 2007-09-27 Scansonic Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Energiestrahls, insbesondere Laserstrahls
DE102007030395A1 (de) 2007-06-29 2009-01-02 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen eines Werkstücks
DE102008056695A1 (de) 2008-11-11 2010-05-12 Precitec Kg Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls
DE102009005194A1 (de) * 2009-01-20 2010-07-29 Kasenbacher, Anton, Dr. Verfahren zur Materialbearbeitung und Laserbearbeitungsgerät zur Materialbearbeitung
DE102010005896A1 (de) * 2010-01-27 2010-10-14 Daimler Ag Laserschweißroboter und -verfahren sowie damit hergestelltes Bauteil
EP1848389B1 (de) 2005-02-15 2011-07-20 Carl Zeiss Meditec AG Verfahren zur herstellung eines ablationsprogramms, in abhängigkeit von der form eines laserstrahlprofils und von einer neigung der zu ablatierenden oberfläche ; mittel zur durchführung der verfahren

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19519150A1 (de) 1995-05-30 1996-12-12 Fraunhofer Ges Forschung Laserstrahlgerät und Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken
US6881925B1 (en) * 1997-12-09 2005-04-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Laser emission head, laser beam transmission device, laser beam transmission device adjustment method and preventive maintenance/repair device of structure in nuclear reactor
DE10005592C1 (de) 2000-02-09 2001-10-04 Horst Exner Hand- und maschinenführbares Laserwerkzeug zur Bearbeitung von Werkstücken
EP1848389B1 (de) 2005-02-15 2011-07-20 Carl Zeiss Meditec AG Verfahren zur herstellung eines ablationsprogramms, in abhängigkeit von der form eines laserstrahlprofils und von einer neigung der zu ablatierenden oberfläche ; mittel zur durchführung der verfahren
DE102006030130B3 (de) 2006-06-28 2007-09-27 Scansonic Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Energiestrahls, insbesondere Laserstrahls
DE102007030395A1 (de) 2007-06-29 2009-01-02 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen eines Werkstücks
DE102008056695A1 (de) 2008-11-11 2010-05-12 Precitec Kg Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls
DE102009005194A1 (de) * 2009-01-20 2010-07-29 Kasenbacher, Anton, Dr. Verfahren zur Materialbearbeitung und Laserbearbeitungsgerät zur Materialbearbeitung
DE102010005896A1 (de) * 2010-01-27 2010-10-14 Daimler Ag Laserschweißroboter und -verfahren sowie damit hergestelltes Bauteil

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2017082396A1 (ja) * 2015-11-13 2018-08-30 株式会社エーピーアイ コーポレーション ラコサミド及びその中間体の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE102011118540A1 (de) 2013-05-16
DE102011118540B4 (de) 2016-04-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1731120B1 (de) Ophthalmologische Vorrichtung für die Auflösung von Augengewebe
EP2247251B1 (de) Laserbearbeitungsgerät zur bearbeitung von biologischem gewebe
EP0957804B1 (de) Vorrichtung zur materialabtragung von einem werkstück mittels laserbestrahlung
EP1628606B2 (de) Vorrichtung zum präzisen bearbeiten von material
EP1677717B1 (de) Laserbearbeitung
EP2306949B1 (de) Vorrichtung zur ophthalmologischen, insbesondere refraktiven laserchirurgie
EP3206643B1 (de) Systeme für die kurzpuls-laser-augenchirurgie
DE10334108B4 (de) Vorrichtung zum Ausbilden einer geschlossenen, gekrümmten Schnittfläche
DE102011016519B4 (de) Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls
EP2768447B1 (de) Erzeugung von schnittflächen in einem transparenten material mittels optischer strahlung
DE102017115922B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Messung und Einstellung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf und einem Werkstück sowie dazugehöriges Verfahren zur Regelung
EP2654636B1 (de) Vorrichtung zur materialbearbeitung eines werkstücks und verfahren zum kalibrieren einer solchen vorrichtung
DE10297255B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen und Einstellen eines Laserschweißprozesses
DE102016001661B3 (de) Messvorrichtung und Verfahren zum Ermitteln einer relativen Neigung eines Werkstücks mittels optischer Kohärenztomographie bei einer Bearbeitung
DE102010005896A1 (de) Laserschweißroboter und -verfahren sowie damit hergestelltes Bauteil
DE102009017900B4 (de) Laserbearbeitungskopf zum Hartlöten oder Schweißen mit einer Drahtzuführvorrichtung mit integriertem Lichtschnittmodul
WO2019149872A1 (de) Vorrichtung zur lasermaterialbearbeitung mit einer eine relayoptik aufweisenden sensoreinheit
EP1531770B1 (de) Vorrichtung zur messung eines optischen durchbruchs in einem gewebe
DE102012008998B4 (de) Einrichtung für die lasergestützte Augenchirurgie
DE19817629A1 (de) Laserbearbeitungsvorrichtung zum Fügen und/oder Beschichten von Werkstücken sowie Verfahren zum Fügen und/oder Beschichten von Werkstücken
DE102011118540B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Schneiden oder Trennen von Feststoffen durch Materialabtrag mittels energetischer Strahlung
EP2211730B1 (de) VORRICHTUNG ZUR KnochenBEARBEITUNG
DE102016010508A1 (de) Vorrichtung, Bearbeitungsvorrichtung und Verfahren zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls unter Anpassung des Bearbeitstrahls nach Maßgabe einer aktuellen Bearbeitungssituation
DE202006005916U1 (de) Überwachungseinrichtung
DE10349296B4 (de) Adapter für Laserbearbeitung, Laserbearbeitungsvorrichtung und Verwendung eines Adapters

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12797695

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12797695

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1